ESD故障模式分析课件.ppt

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1、,靜電如何形成 靜電是史載最早發現的一種電 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 西元前 640年，希臘哲學家 THACES 把琥珀(Amber)摩擦後發現可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 靜電的形成 導 體 具有可移動的電子或價電子(Valence Electrons)在原子結構的最外層，亦即受原子核(Nuclei)的束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動(產生電流)，此類物質稱為導體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体,2,IPQC ESD 訓練教材(二),隶仆备赞希划舞启潘坐哼骡巷捆渤捣悍裔迟寿忌娘扳渠陨戈鹊撮球檀疡勤ESD故障模式分析ESD故障模式分析,以物

2、体抗靜導電性來區分材質 導電性(Conductive)材質:表面店電阻係數在 105/square 以下 靜電衰減性(Static Dissipative)材質:表面電阻係數介於105 1012/square 抗靜電性(Anti-Static)材質:表面電阻係數介於109 1012/square 絕緣体(Insulator)材質:表面電阻係數介於 1012/square以上 摩擦生電,3,7P+,7P+,7P+,7P+,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,平衡原子 1,e-,平衡原子 2,帶負電原子,帶正電原子,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,摩擦,e-,e-,e-,e-,e-

3、,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,IPQC ESD 訓練教材(二),鹰右泽嚣夏曙钝狮荷钝桌去掸车犹咸仰拯笑常晒追苹塞汾制它仍琉匡献崩ESD故障模式分析ESD故障模式分析,半導體產品抗靜電能力 抗靜電能力之量測(Human Body Model)依 MIL-STD-883，Method 3015，測試線路圖：,1.Input(A),Common(B)2.Output(B),Common(A)3.Input(A),Output(B)4.V+(A),Common(B)5.V+(B),Common(A),8,IPQC ESD 訓練教材(二),挽勿九燎腿恐扯朗版凯扰布袍额嘎拙佰繁拿彰烟燃

4、娃炽逊尘医崖翁肩官纺ESD故障模式分析ESD故障模式分析,各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/WEST Report)晶片種類 靜電破壞電壓(Volts)MOSFET 100200EPROM 100JFET 1407,000Op-Amp 1902,500CMOS 2503,000SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500Bipolar Transistor 3807,000ECL 500SCR 68010,000,9,IPQC ESD 訓練教材(二),浅锥蒜怀江揍久灭颅盎哪悟黄披使功高擅荒幌界舱瞩乏驹枯畦械连旨毒浓ESD故障模式分析ESD故障模式分析,1

5、1,ESD 對人体會造成傷害嗎？家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。電流對人體傷害分析表(MIL-STD-454)。電 流 大(毫安培、mA)AC(60Hz)DC 結 果 0-1 0-1 有知覺 1-4 4-15 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作 21-40 80-160 肌肉麻痺 40-100 160-300 休克 100 以上 300 以上 立即死亡,IPQC ESD 訓練教材(二),御拟太僻乙甄即优肝全屹奶焉寨例剑庚胜肯礁准息效远怪尺躺讣隶壹非黍ESD故障模式分析ESD故障

6、模式分析,12,ESD 的影響品質方式 1.人體放電模式(Human Body Model,HBM)顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響 到元件的模式,人 體,元 件,(HBM),-,-,IPQC ESD 訓練教材(二),拂爬膨奏堵嫡形砷你震脏缄文橇嗓仓树氧胖嗣颇牧驾铭咯贤渺盅情漂狠搏ESD故障模式分析ESD故障模式分析,C.N.Tsai,99/01/11,13,2.電場感應模式(Field Induced Model,FIM)指由於外來電場感應產生電荷，巧遇機緣而將電荷引導接 地引起的模式 3.充電元件模式(Charged Device Mode,CDM)上述FIM模式中當元件

7、被移離開電場或接地時，就變成 CDM模式,元 件,外在電場感應電荷,接地造成ESD放電(FIM),(Field),E,(Grounded),元 件,接地消失,移離電場,(CDM),(Field),IPQC ESD 訓練教材(二),徽贼淑国罢灰饵卢虞衷嘿绸志艰坝厨计茬拓嫁杨瞒纳聚皇痕搜砚陇绽廖胀ESD故障模式分析ESD故障模式分析,14,元件被ESD 破壞之原因及型態 ESD破壞之原因：1.功率產生：如熱崩潰、金屬被熔融2.電壓產生：如介電質崩潰、表面崩潰3.潛在性故障：如功能劣化、降級,IPQC ESD 訓練教材(二),铝歌凿考浇淌当窖轴抡煌闺坡汇墅嘎狱卤纲俗阐慌星萍糖胯芭羹词刚吝赡ESD故障

8、模式分析ESD故障模式分析,15,ESD破壞之型態1.接面崩熔（Junction Burnout）過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性A.即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元件的失效B.正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的515倍2.氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through）通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦是短路。,EBC,EBC,IPQC ESD 訓練教材(二),陈票贪悸罪镁佛篆小案撬较翁查凯镀仅凰夷朴矗萎

9、郁泻娄稳逝陷唉拦从逐ESD故障模式分析ESD故障模式分析,16,3.金屬層崩熔（Metalization Burnout）由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現象為斷路。,IPQC ESD 訓練教材(二),酮坠埔簧镣嫡顺若孰祭垮往崔岭纸林谗离砸眺慰撞狗诸裂染岗隆茎吊聪颅ESD故障模式分析ESD故障模式分析,17,靜電的累積破壞 負傷而行 接面崩熔（Walking Wounded）許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數這些負傷而行的元件

10、都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負傷而行變成完全失效。下面是一ESD累積破壞的試驗：應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來量測54S163IC試驗條件：試驗結果：材料：54s163測試前I=2.883APASS人體電容：100pf第一次I=2.883A PASS每次放電：50V第二次I=2.890A PASS 放電次數：5次第三次I=2.890A PASS 測試點：Vin=Pin2(A)第四次I=1.872mA FAIL GND=Pin8(B)第五次I=2.147mA FAIL,IPQC ESD 訓練教材(二),拦伊头泞化馋虾萝穿玲津立啮霞僧亦深材矣秃所骗字合

11、挣服蜡迷扬蓄练刊ESD故障模式分析ESD故障模式分析,18,ESD破壞分析 找出PCB上之故障元件 對故障元件進行基本電性量測 功能測試 參數測試 X-ray做表層分析 去封膠（Decapsulate）檢視內部 去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考,IPQC ESD 訓練教材(二),弊描项赚财匹陀唆速剿太剿疗鲤款泻荫哆纬避磐诡比侯竟感叠流梗寂凯透ESD故障模式分析ESD故障模式分析,19,去 鋁 層 之 後 的 接 合 窗,接合窗放大10,000之後可見貫穿現象,A金屬接合窗,橫 切 面 放 大(2,000),橫 切 面 放 大(10,000),IPQC ESD 訓練教材(

12、二),衅貌衔戳吧云笑站嫂纂铝仇瑟遇斑顽屯焦礁款析闯绵钵水翅娇痔驾裴堑铰ESD故障模式分析ESD故障模式分析,20,靜電防護 晶片設計的靜電防護(治本方法)本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、最大電壓、能量傳導、寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。靜電防護的基本原則 1.避免靜電產生 2.疏導或中和所產生之靜電 3.摒蔽靜電場逐一介紹說明如下：,IPQC ESD 訓練教材(二),羌肤浚敌其远乙溃地矛染大练铃肄蛊妄圭鼓吕碘丈吵层燃红绍晒督庐瞧肾ESD故障模式分析ESD故障模式分析,21,1.避免

13、靜電產生(A)潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的(B)抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating)有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。(C)內部靜電劑法(Imbeded Anfi-Static Agent)這是在材料中加入具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。2.疏導或中和靜電法(A)疏導法(Bleed-Off)典型的疏導法就是配帶靜電環(Wrist Strap)，是將人體產生之靜電電荷，藉

14、由導線將所產生之電荷傳導出去。通常靜電環中會接一1M之接地電阻，以保護人員工作之安全。,IPQC ESD 訓練教材(二),靡聂晦翔弹昨酷隙峰醋郎为君蛆越湾菠终税龙南饰射游亩烛沪磨纹偶筹扬ESD故障模式分析ESD故障模式分析,22,(B)中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前常用的靜電消除器有下列幾種：a.放射性靜電消除器 使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。b.

15、高壓靜電效應消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電流僅幾微安培(A)，不會產生電擊。c.感應靜電效應消除器 這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來電離空氣離子,IPQC ESD 訓練教材(二),慌蝴辅沃桨着唤傍山炬煮合窖疲眺刑迫亿浇获帝史定阂恤樊虞钙撮肉佩讶ESD故障模式分析ESD故障模式分析,23,3.摒蔽靜電場（Field Shielding）此種方法乃利用Farady Cage 之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型,電場無法貫穿僅分佈表面,電 壓,(kv),時間

16、(秒),0,1.0,2.0,3.0,1.0,2.0,3.0,導電袋,防靜電袋,一般PE袋,金 屬 容 器,IPQC ESD 訓練教材(二),揭洋虑抢毕壤梗焦海割袜趋杆谜俗狡味虞鼓睬火磁彬订撩列模诉征省预仕ESD故障模式分析ESD故障模式分析,24,各類常用靜電防護材料 1.靜電環 由伸縮拉環，內含1Mega 10%電阻之導線及接頭所構成。配帶靜電環時必須注意到：(a)靜電環必須與手緊密接觸，不可鬆脫或套於衣袖上(b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻(c)接頭必須固定妥當，當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料2.抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等)在材料上塗佈抗靜電液，使材料不會產生靜電荷，或僅產生

17、微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在1012/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應：(a)此材料僅能防止本身產生靜電，而卻無法防止靜電場破壞(b)表面塗層必須考慮其有效期(c)一般工業界會將此類產品製成粉紅色,IPQC ESD 訓練教材(二),冻啤滇棒朱鹏撇恿浩淳殿隅哦司抬霉粪癸急骤秸其渺寸本脱岳祭柬迈走敷ESD故障模式分析ESD故障模式分析,25,3.靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等)此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R1012/square，靜電消散時間2sec)，中間(或內)層是一層薄薄的金屬箔(105 R 10

18、9/square)。使用時需注意：(a)避免使用尖銳物品刮壞金屬層(b)封閉的導電袋或容器才有完全之保護4.靜電消除器 利用儀器所產生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意：(a)靜電消除器必須在工作範圍45呎內方為有效區域(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內清理一次(c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡(d)靜電消除器會產生臭氧(O3)對人體無害(有益)，但臭氧濃度不可超過0.1DPP M，否則其異味會使人難以忍受,IPQC ESD 訓練教材(二),己梭芝豹谅肿罕烘殆黄近津爵盼抬诬苦来炊晓痕持惧伯其膝陵爬枕魔恼棵ESD故障模式分析ESD故障模式分析,28,各種靜電標示警告 A.對ESD敏感標示：C.保護+外弧去斜線之標示：適用於告知電子零組件對ESD 用於工具或材料上已具有控制ESD極為敏感，易遭ESD破壞。之功效。B.對ESD敏感+警語之標示：D.對ESD敏感標示亦可用：適用於防靜電包裝袋上。,IPQC ESD 訓練教材(二),抢肛违审祷翠娱妮信政讳肛掸杭啼落逛祝耐拘初赢暑帘俭涵扰豺第裸侠渡ESD故障模式分析ESD故障模式分析,